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1、3 光亮退火炉炉内传热过程研究3.1 炉内流动及传热过程分析3.1.1 加热炉内热过程概述加热炉内热过程指的是在加热炉内进行着的气体流动、燃料燃烧和传热、传质过程的综合，因此它属于一个复杂的以传热为中心的物理和物理化学过程，其中以物理过程为主。而对热过程的分析指的是对它物理本质的揭示以及尽可能地进行定量的数学描述，这也是炉子热工理论的主要组成部份。炉内热过程中的流体力学过程，它和一般管道内流体等温流动规律不完全相同，它属于不等温的空间流动，它受不同炉膛空间的制约，边界条件比较复杂。从另一方面看，由于加热炉的燃料燃烧过程大部份是在同一个炉膛空间内进行的，因此它必然会受到炉膛内气体流动情况的影响，
2、结果形成了一个十分复杂的空间温度场和热流场。而它们又反过来对气体流动和燃烧过程产生影响。3.1.2 炉内换热关系分析炉膛是一个比较复杂的热交换系统，任何物体放入该系统中就会和其他诸组元间发生热交换。因此炉膛中热电偶测出的温度必然是炉气、炉衬（忽略炉顶、炉墙和炉底之间的热状态的差别，统称为炉衬）和被加热金属表面与热电偶热端之间热交换处于热平衡状态下的温度，它既不代表炉气温度，也不代表炉衬温度或金属温度，而是某种意义上的综合温度，是在该种情况下，测温热电偶所反映的温度，即所谓“炉温”。炉膛内的换热关系包括辐射和对流换热两种。在炉膛内部，由于N2的流速较小，为简化计算，将对流传热量忽略不计。炉内辐射
3、传热关系参见图3-1，由于炉气为透明介质，不考虑它的辐射换热，因此在炉膛内部，辐射管，炉衬，钢管、炉辊、热电偶参加辐射换热，忽略热电偶对炉膛换热的影响，认为热电偶为辐射绝热面，此外由于此炉为连续式加热炉，炉辊在整个加热过程中温度基本保持不变，因此不再分析它的换热关系，在此主要分析一下辐射管，炉衬，钢管之间的辐射换热关系：(1) 辐射管：煤气在辐射管中燃烧放出的热量可分为两部分：a) 大部分用于加热钢管；b) 炉衬吸热。 (2) 炉衬：火焰炉炉衬是由耐火材料砌筑成的，由于耐火材料导热系数比被加热金属小得多，而热容量却要大很多，而它的表面黑度一般在0.80.9，比炉气平均黑度大得多而和金属表面氧化
4、后的黑度差不多，甚至还高一些，此外炉衬一般是固定不动的，而被加热金属则有进料及出料。以上这些情况就使炉衬表面温度比金属表面温度高些。在正常生产条件下，对于稳定工作的炉子来说，在进行热交换分析时可以认为炉衬表面温度不随时间而变，炉衬辐射出来给钢管的热量与炉衬表面从辐射管获得的热量相同，而炉衬向环境的损失和炉气与炉衬之间的对流换热相当，因此在钢管光亮退火炉的炉膛热交换中，炉衬仅起中间媒介作用，可将其看作是辐射绝热面。(3) 钢管：钢管在炉膛内被加热，其热量来自于以下两部分：a) 辐射管放出的热量，是钢管热量的主要来源；b) 炉衬辐射给钢管的热量。炉辊热电偶钢管 辐射管炉衬图3-1 炉内辐射传热示意
5、图炉气以一定速度在炉内流动，因此在进行辐射传热的同时，还以对流方式向金属表面进行传热，其对流热交换量可按下面公式计算：式中 为对流给热系数，它主要与流体速度、粘度、导热系数、导温系数以及流体和被加热物之间的相对位置等因素有关，其中以流体速度影响最大。在光亮退火炉中，由于炉膛中N2主要作为保护性气体，以减少钢管表面少氧化的目的，因此其流速较小，对流传热量和辐射传热量相比是比较小的，可以忽略；而在入口前室，炉膛的前部(物料还未到达有辐射管加热的区域)，物料的加热主要是与N2的对流换热；最后在物料出炉膛后，此时辐射管不再对钢管加热，钢管主要是与N2以及冷却水进行对流换热，其对流传热关系如图3-2所示
6、：N2入口N2入口出口后室出口台架炉辊辐射管入口前室冷却段用风机通风，排保护气图 3-2 炉内对流传热示意图 3.2 炉膛热平衡分析炉子热平衡是根据热力学第一定律建立起来的，表示在一定时间内炉子热量收入和热量支出在数量上的平衡关系。通过炉子热平衡测定与计算，可以具体了解炉子热能利用情况并可确定燃料消耗量的大小，对于一个正在生产的炉子，通过热平衡测定与计算，可以反映出炉子热能利用的好坏程度，再结合炉子热工操作、 炉型结构和生产管理方面的具体情况，就可以从中得到炉子节能经验或找出炉子节能应该采取的措施。本文针对光亮退火炉，在对主要热工参数在线检测和分析的基础上，建立了热平衡数学模型。3.2.1 主
7、要热工参数的在线测试和分析（测试时间: 2002年8月5日）(1) 测试情况下技术参数通过调研及技术准备工作，了解了现场的生产情况，收集了数学模型建立所必需的技术参数，包括炉子的尺寸，某种管子的规格，燃料的种类及热值，燃料消耗量，空气消耗量，炉温，炉速以及炉子的生产能力等，现将测试情况下技术参数列表如下（如表3-1），以便进行参考对照：(2) 现场测量工作现场测量工作包括：炉顶温度，炉墙温度，烟气温度以及氮气温度，具体如表3-2所示：(3) 热平衡的数学模型的建立根据所搜集到的光亮退火炉的主要技术性能参数和现场测量的温度值作光亮退火炉内热平衡的数学模型，具体作法为：将炉长L分成相同长度的若干炉
8、段，根据一个区域的热平衡关系，可求得料坯得到的热量，由此可得到钢管的表面温度。炉内热平衡的情况如表3-3所示：表3-1 测试情况下技术参数区域参数123456炉温（）760840870870870870煤气流量（Nm3/h）26120426151944空气流量（Nm3/h）722567714951119炉子尺寸(mm)加热段长度123456430037003300348035003600净宽 2000高1860管子规格材质3810管径=73.03壁厚5.51燃料种类混合煤气热值（wobbe）2564.56炉速27m/h炉子生产能力4.2t/h表3-2 现场测量温度区域温度（）123456炉顶温
9、度1089793786368炉墙温度12689.571.557.562.583烟气温度845805738758764794氮气温度600600表3-3 光亮退火炉热平衡表区域项目123456热收入(MJ/h)1、燃料燃烧的化学热2578.2 2015.2256.8148.2187.7434.6热支出(MJ/h)1、加热物料的热量1135.92944.1128.9972.3291.39196.272、烟气带走的热量1171.1866.9100.259.676.1184.13、炉体散热炉顶1.270.910.750.590.410.48炉墙3.211.610.960.690.801.354、氮气带
10、走的热量8.90.20.20.20.28.95、其它热损失257.8201.525.714.818.843.5由以上热平衡表，可得出加热钢管的温度如表3-4：表3-4 钢管表面的温度区域温度123456钢管温度（）509752780795827903由热平衡数学模型所得到的钢管温度随长度方向变化用曲线描述如图3-3所示：该曲线是根据测试结果粗算的结果，为拖偶实验提供参考，实际测量的温度将与理论计算的温度有所偏差，此外，该热平衡模型未考虑不完全燃烧的热损失，因此也会对结果造成一定的影响，有待于以后的进一步修正。图3-3 钢管温度随长度方向变化曲线3.3 光亮退火炉数学模型的建立3.3.1 模型建
11、立的假设条件火焰炉中物料的加热过程是一个复杂的物理化学过程，是与众多影响因素有关的随机过程，因此，只有在满足精度要求的前提下对过程进行必要的简化和假设，才能用相对简单的数学方程式来描述，才能满足对求解速度和精度的要求。考虑到退火炉的实际生产情况和钢管的受热情况，在建模过程中采用了如下的简化条件：(1) 以加热炉的燃烧控制段为基础，将炉子沿长度方向分成六个计算区域段，所分区域段内的炉温沿长度方向的分布是根据热电偶的采样值经线性拟合后的曲线分布；(2) 为简化计算，忽略各区段间炉长方向的辐射换热；(3) 忽略钢管沿长度方向(即炉宽方向)和圆周方向和导热，将管坯的内部传热视为沿半径r方向一维不稳态导
12、热；(4) 炉膛换热采用总括热吸收率法进行计算；(5) 炉内通进的氮气减少钢管表面的氧化，因此可忽略钢管表面氧化对传热的影响；(6) 由于钢管内径远小于长度，端部效应不明显，将内表面按绝热表面处理。3.3.2钢管内部导热数学模型钢管加热过程的内部导热计算采用一维柱面坐标形式的Fourier导热微分方程描述为(参见图3-4)：基本方程： (式3-1)初始条件：边界条件： 图3-4 钢管内部导热数学模型示意图3.3.3 炉膛传热数学模型前面的文献综述已经提到：热流法、区域法、蒙特卡洛法等炉内热交换分析计算量大，耗费机时，而且其中的一些参数，如角系数、交换面积等计算比较复杂，考虑到光亮退火炉的实际情
13、况，本文试采用总括热吸收率法，简化炉膛内辐射换热，计算钢管外表面热流密度： （式3-2）式中：k为总括热吸收率，它受炉气黑度、炉衬黑度、钢管与炉墙、炉气间辐射角系数等参数综合影响，在本文中，由于拖偶实验已经得出钢管表面的温度，在确定总括热吸收率时我们采用如下方法：由拖偶实验所得数据，在数学模型中采用第一类边界条件(表面温度已知)，得出钢管内部温度分布，从而得出表面热流，再在现场热电偶提供的炉温的基础上，加以修正，再作线性化分布，便可求得总括热吸收率，将求得的总括热吸收率推广到其它的钢种和工艺状况下，最后进行加热制度的优化。在3.1节中已经作了分析，对于光亮退火炉的不同位置，我们分别采用以辐射为主的总括热吸收率法和对流换热计算。对流换热采用如下公式： (式33)式中：为对流换热系数，它主要与流体速度、粘度、导热系数、导温系数以及流体和被加热物之间的相对位置等因素有关，其中以流体速度影响最大。由于影响对流换热系数的因素很多，要准确地计算不同情况下的对流换热系数是很困难的。关于总括热吸收率和对流换热系数的确定，在第四章中将给出具体的介绍。33 / 9